龐忠和：我國深層含水層地下儲熱研究取得新進(jìn)展

為加強(qiáng)多種可再生能源綜合利用，將不穩(wěn)定的風(fēng)能、太陽能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定連續(xù)的地?zé)崮?/strong>，形成基于“地?zé)?”多能互補(bǔ)模式的研究，目前以中國科學(xué)院團(tuán)隊(duì)為主體承擔(dān)的國家戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)資助項(xiàng)目---深層含水層地下儲熱技術(shù)研究已從理論模型研究進(jìn)入到技術(shù)研發(fā)和工程示范階段。

今年年初，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所黃永輝博士、龐忠和教授等共同撰寫的論文《深層含水層地下儲熱技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望》發(fā)表，獲得了業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。文章介紹了中科院深層含水層地下儲熱技術(shù)研究進(jìn)展的情況以及該團(tuán)隊(duì)提出的地下儲熱相關(guān)設(shè)想及展望。

“深層含水層地下儲熱技術(shù)研究”課題研究的背景和意義是什么?這項(xiàng)技術(shù)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)是什么?深層含水層儲熱技術(shù)發(fā)展?jié)摿笆袌銮熬叭绾?日前，《地源熱泵》記者采訪了中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究員龐忠和。

基于“地?zé)?”多能互補(bǔ)模式研究

——由淺層含水層儲熱向深層含水層儲熱拓展

含水層儲熱是一種利用地下含水層作為介質(zhì)將熱能存儲于地下含水層中的儲能系統(tǒng)。它通過地下水井從含水層中抽取和灌入地下水實(shí)現(xiàn)熱能儲存和開采利用。根據(jù)含水層所處深度，可將含水層儲能系統(tǒng)分為兩大類：一類是淺層含水層儲能,含水層深度在500米以淺,存儲熱水溫度一般低于50℃;另一類是深層含水層儲能,含水層深度通常在500米以深,存儲熱水溫度一般為50~150 ℃。

資料顯示，我國在利用淺層地下含水層進(jìn)行儲熱方面的實(shí)踐開展得較早。如20世紀(jì)60年代，上海為了控制工業(yè)上過度抽取地下水所引起的地面沉降,進(jìn)行了地下水的人工補(bǔ)給,同時(shí)開展了“冬灌夏用”和“夏灌冬用”的地下含水層儲熱技術(shù)。

基于淺層含水層的儲熱方式具有成本低的優(yōu)勢,但因其工作溫度較低、規(guī)模較小,儲熱能力有限, 且有污染地下飲用水的潛在風(fēng)險(xiǎn)。近年來，世界范圍內(nèi)開始嘗試替代方法,即基于深層含水層的高溫儲熱模式。

龐忠和說，從全世界范圍來看，目前各國做的以淺層含水層儲熱工程居多，深層含水層儲能都是剛剛起步。截至2017年,全世界范圍內(nèi)已建成2800多組淺層含水層儲熱系統(tǒng)，其中我國有6處已建成并投入使用。

目前，我國在含水層儲能技術(shù)上的研究和實(shí)踐多局限于淺層，隨著需求的擴(kuò)大，以中科院團(tuán)隊(duì)為主體承擔(dān)的深層含水層地下儲熱研究項(xiàng)目已啟動，其深度將達(dá)到500米或者1000米深左右。“我們這個項(xiàng)目計(jì)劃是四年時(shí)間，今年是第二年，前兩年做技術(shù)研發(fā)，后兩年做示范工程。”龐忠和說。

開展深層含水層地下儲熱研究的意義在于，一方面為了補(bǔ)充中深層含水層的目的，實(shí)現(xiàn)中深層地?zé)豳Y源的可持續(xù)利用;另外一方面可以彌補(bǔ)能源供需在時(shí)間/空間分布的不平衡，能夠綜合利用多種可再生能源形式，將不穩(wěn)定的能源如風(fēng)能、太陽能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定連續(xù)的地?zé)崮?，形成基?ldquo;地?zé)?”的多能互補(bǔ)模式。

我國深層含水層儲熱研究獲新進(jìn)展

——地下儲能已從理論研究邁入技術(shù)研發(fā)階段

深層含水層儲熱技術(shù)具有儲熱容量大、儲熱效率高、造價(jià)低等優(yōu)勢,是一種較為理想的大規(guī)模跨季節(jié)儲能方式。“與淺層含水層儲能相比，深層含水層儲能系統(tǒng)較為安全，具有空間大、環(huán)境溫度比較高、保溫性能比較好優(yōu)勢，同時(shí)可以利用原地的地?zé)豳Y源，原有的能量結(jié)合起來用，這個優(yōu)勢是顯著的。”

目前國外深層含水層儲能工程應(yīng)用比價(jià)少，主要集中在歐洲。龐忠和告訴記者，他曾參觀歐洲的一些創(chuàng)新性國家如瑞士、德國，這些國家在開展深層含水層儲熱方面的研究工作。“瑞士在做一個500米左右的砂巖層的儲熱項(xiàng)目。德國有一個項(xiàng)目已經(jīng)運(yùn)行十余年了，目前這個項(xiàng)目運(yùn)行的情況比較好。”

關(guān)于我國深層含水層儲能研究進(jìn)展情況，龐忠和介紹，目前以中國科學(xué)院團(tuán)隊(duì)為主體承擔(dān)的深層含水層地下儲熱技術(shù)研究已從理論模型研究進(jìn)入到技術(shù)研發(fā)階段。“目前這個項(xiàng)目的理論模型基本有了，現(xiàn)處于技術(shù)研發(fā)階段，技術(shù)研發(fā)的著力點(diǎn)是提高其效率，保證儲存順暢運(yùn)行。”龐忠和說。

“目前中科院團(tuán)隊(duì)已做了一些初步的研究，這為前期的技術(shù)研發(fā)工作做了一些很好的鋪墊。”他表示，現(xiàn)在可以開展實(shí)際的項(xiàng)目，針對當(dāng)?shù)氐木唧w條件來做一套設(shè)計(jì)和相應(yīng)的方案，通過不斷的調(diào)試和優(yōu)化，來提高其效率，這是該項(xiàng)目不斷放大規(guī)模的一個嘗試。

不科學(xué)的開采地?zé)崽锿鶗?dǎo)致地下水位下降外，還存在溫度下降的問題。龐忠和解釋說，這個是一個熱平衡的問題，“你的開采量不能超過含水層熱量的補(bǔ)充，那么在你開采量不大的時(shí)候能夠掌握，比如雄縣，我們持續(xù)觀測了四五年，目前沒有發(fā)現(xiàn)特別明顯降溫的現(xiàn)象，但是隨著地?zé)衢_采量的擴(kuò)大和開采時(shí)間的延長，將來在雄安新區(qū)整個范圍內(nèi)地?zé)嵝枨罅繒粩嗟脑黾?，到那個時(shí)候可能就會出現(xiàn)供應(yīng)不上的問題，那么這時(shí)就需要對它進(jìn)行能量補(bǔ)充，能量補(bǔ)充能夠擴(kuò)大其供暖的能力。”

深層含水層儲熱市場應(yīng)用前景廣闊

——將不穩(wěn)定的能源轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定連續(xù)的地?zé)崮?/p>

對于我國深層含水層儲熱發(fā)展?jié)摿笆袌鰬?yīng)用前景龐忠和教授充滿信心。“現(xiàn)在已有的儲能系統(tǒng)都是短時(shí)間，幾個小時(shí)或者一兩天，而深層熱儲是可以跨季節(jié)的。”他舉例說，在夏天可以把豐富熱量儲存下去，到了冬天再把熱量開采出來利用。這是可以跨季節(jié)的進(jìn)行熱量的儲存和利用。

關(guān)于可再生能源多能互補(bǔ)應(yīng)用，我國地?zé)犷I(lǐng)域已做了探索嘗試。龐忠和介紹，地?zé)崮芘c太陽能結(jié)合在西藏羊易電站得到了應(yīng)用，“16兆瓦的地?zé)犭娬九赃厸]多遠(yuǎn)就有兩個各30兆瓦的太陽能光伏發(fā)電站。地?zé)崮芎吞柲芸梢砸黄鸢l(fā)力為電網(wǎng)做貢獻(xiàn)，這是一種并聯(lián)的多能互補(bǔ)的方式”。

龐忠和介紹，除了地?zé)崮芘c太陽能結(jié)合外，還有一種多能互補(bǔ)方式——太陽能和風(fēng)能的結(jié)合利用。太陽能、風(fēng)能是非穩(wěn)定的清潔能源，受氣候的影響比較大，它們只能在陽光明媚或刮風(fēng)的時(shí)候發(fā)電。如何解決這種能源利用不連續(xù)的問題，最好的出路就是找一個“倉庫”把它儲存起來，“多的時(shí)候我存起來，少的時(shí)候或者沒有的時(shí)候我可以拿出來用，而地下儲熱就提供了這樣的一個便利條件”。

“等到地下儲熱這套技術(shù)做成之后，我們就可以接受其他不同能源所提供的能量，把它存儲起來。”龐忠和透露，目前他們團(tuán)隊(duì)在張家口結(jié)合冬奧會正在做一個小規(guī)模的“地?zé)崮?風(fēng)能”多能互補(bǔ)示范工程。他希望能有更多的合作伙伴來共同推動這一方面的技術(shù)應(yīng)用示范，盡快地形成一套完備的技術(shù)，將來能夠在更大的范圍內(nèi)使用。

深層含水層儲熱技術(shù)既能結(jié)合其他多種能源形式實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ),也可作為區(qū)域地?zé)豳Y源的必要補(bǔ)充和增強(qiáng)。龐忠和認(rèn)為，“在未來清潔供暖需求日益增長、可再生能源占比越來越大的背景下，深層含水層儲熱系統(tǒng)作為一種有著良好研發(fā)基礎(chǔ)的儲熱技術(shù)將發(fā)揮更大的作用。”

(注：限于篇幅，本文有刪減。原文刊載于2020年4月刊《地源熱泵》雜志。本文圖片由中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所黃永輝博士提供)